image: Red data points are the observed data; most of them have elongated shapes and larger galaxies tend to have larger ellipticities. Gray-colored regions represent the probability distributions calculated with the computer simulations, in which two galaxies are located at so close distance that they are blended as an elongated galaxy, as shown in the right pictures schematically. view more
Credit: Ehime University
愛媛大学などの研究者からなる研究チームは、すばる望遠鏡で発見した126億光年彼方の宇宙にある若い銀河およそ80個を、ハッブル宇宙望遠鏡でさらに詳しく撮影しました。その結果、54個の銀河で詳細な形が写し出されましたが、うち8個は二つの小さな銀河の集まりであることが判明しました。また、残り46個は一つの銀河のように見えていますが、少し伸びた構造をしていました。 コンピュータ・シミュレーションを駆使して調べたところ、この少し伸びた構造も、二つ以上の小さな銀河が非常に近い距離にあることで説明できることがわかりました。これらの結果から、126億光年彼方の宇宙では、小さな銀河の塊が衝突することで星が活発に作られ、大きな銀河へと育っていく途上にいると考えられます。
研究チームはハッブル宇宙望遠鏡の基幹プログラム"宇宙進化サーベイ"「コスモス・プロジェクト」の一環として、すばる望遠鏡を使った観測を進めてきました。すばる望遠鏡は、初期宇宙における銀河成長を解き明かす上で重要な天体の発見に貢献し、銀河進化の解明への道をまた一つ開いたのです。
現在の宇宙 (宇宙年齢＝138 億歳) には、天の川銀河のような巨大銀河がたくさんあります (星の数は約 1000 億個で大きさは約 10 万光年)。しかし、宇宙誕生直後からこのような巨大銀河があったわけではありません。
銀河の種ができたのは宇宙年齢が２億歳から３億歳の頃です。銀河の種は冷たいガス雲ですが、大きさは現在の銀河の 100 分の１程度で質量は 100 万分の１程度です。その中で、宇宙の「一番星」が生まれた時が銀河の誕生です。その後、小さな銀河の種は周囲にあった同様の種とどんどん合体し、成長してきたと考えられています。人類が行ってきた深宇宙探査のおかげで、130 億光年彼方 (宇宙年齢＝８億歳) まで銀河が見つけられるようになってきました。ところが、まだ銀河の成長の様子をつぶさに見ることはできていませんでした。
若い銀河の発見はすばる望遠鏡が得意とするところですが、それらの形を詳細に調べるにはハッブル宇宙望遠鏡の高い解像力が必要です。研究チームまさに、すばる望遠鏡の主焦点カメラ Suprime-Cam で 126 億光年彼方の銀河をたくさん見つけ、ハッブル宇宙望遠鏡でその形を詳細に調べたのです。すると、54 個中８個は、図１に示すように二つの小さな銀河が衝突しているように見えることがわかりました (注２)。
では、ひとつの銀河のように見える残り 46 個の若い銀河は、本当にひとつの銀河なのでしょうか？研究チームは、ハッブル宇宙望遠鏡の画像をよく見てみると、少し細長い形をしているものが多いことに気がつきました。
研究チームは、「ひょっとしたらハッブル宇宙望遠鏡でも分解できないくらい、二つの小さな銀河が近づいているのではないか？」という疑問を持ち、コンピュータを使ってチェックしてみることにしました。まず、１個に見える銀河の形を楕円で合わせ、その楕円率を求めます。それを銀河の大きさに対してプロットします。次にコンピュータの中で、二つの小さな銀河をさまざまな角距離において、実際の銀河と同じ測定方法で楕円率と大きさを測定し、観測データと比較してみます。
すると、コンピュータによるシミュレーションの結果と観測結果は見事に一致しました。つまり、ハッブル宇宙望遠鏡でも分解できないくらい、二つの小さな銀河が近づいていたために、１個の銀河に見えていたと考えられるのです。
もし、このアイディアが正しければ、一つ予測できることがあります。活発な星形成が二つの小さな銀河の塊の衝突で起こっていると考えると、１個に見えるものは距離が近いため、衝突の影響で星が活発に形成されている可能性が高いはずです。中には距離は離れているが、たまたま視線上に並んでいるケースもありますし、単に孤立したひとつの銀河である可能性もあります。それらは二つに見えている銀河と同程度の星形成を起こしているでしょう。そして、実際にそうなっていることが分かったのです。
今までにも、若い銀河の形はハッブル宇宙望遠鏡で調べられてきましたが、１個のものは１個であると断定して解析が進められてきました。しかし今回の研究によって、ハッブル宇宙望遠鏡でも分解できないくらい二つの小さな銀河が衝突しつつある姿がようやく見えてきました。今回は二つと仮定しましたが、ひょっとしたらもっと多くの小さな銀河たちが衝突をしながら進化している可能性もあります。
銀河は理論が予想するように"小から大へ"の進化をしている様子が初めて見えてきました。では、今後どのように研究を進めたら良いでしょうか？今回の研究は、既存の世界最高レベルの望遠鏡では、もう到達できない観測分野があることを教えてくれました。この状況を打破していくためには、次世代の「スーパー望遠鏡」が必要だということです。日本が参加している口径 30 メートル望遠鏡 (TMT) やジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 (JWST) による新たな深宇宙探査が待たれます。
この研究成果は、アメリカ天文学会の天体物理学誌『アストロフィジカル・ジャーナル』に2016年2月24日付で掲載されました (Kobayashi et al. 2016, "Morphological Properties of Lyman Alpha Emitters at Redshift 4.86 in the COSMOS Field: Clumpy Star Formation or Merger?")。またこの研究成果は、科学研究費補助金 15340059 および 17253001 のサポートを受けています。
(注１) 赤方偏移 z = 4.86 に相当する距離はプランク衛星による宇宙マイクロ波背景放射の最新の観測に基づく宇宙モデルに従って評価してあります。 採用された宇宙論パラメータは以下のとおりです。ハッブル定数 H0 = 67 km s-1 Mpc-1、物質 (原子物質と暗黒物質) の質量密度 ΩM = 0.32、および暗黒エネルギーの質量密度 ΩΛ = 0.68。
(注２) それぞれの小さな銀河の平均的な大きさ (全光度の半分の光が入る直径) は 5500 光年です。また、二つの小さな銀河の間の平均距離は 13000 光年ですが、これは天球に投影した距離であることに注意してください。
(注３) 楕円率は、楕円の長軸、短軸の長さをそれぞれ a、b とすると、1 - b/a で定義されます。円の場合は a = b となりますので、楕円率は０になります。細長い楕円ほど、a > b で a と b の違いが大きくなり、楕円率は１に近づきます。